INTRODUCCIÓN :

¿QUÉ ES LA CROMATOGRAFÍA DE GASES?

Es la técnica para la separación de compuestos orgánicos e inorgánicos térmicamente estables y volátiles.

TIPOS DE CROMATOGRAFÍA DE GASES:

La cromatografía gas-líquido ( GLC, de gas-liquid chromatography) : Lleva acabo la separación por medio del reparto de los componentes de una mezcla química, entre una fase gaseosa que fluye (móvil) y una fase líquida estacionaria sujeta a un soporte sólido.

La cromatografía gas-sólido (GSC, de gas-solid chromatography) : Utiliza un absorbente sólido como fase estacionaria.

La disponibilidad de detectores versátiles y específicos, y la posibilidad de acoplar el cromatógrafo de gases a un espectómetro de infrarrojo, amplían aún más la utilidad de la cromatografía de gases.

¿EN QUÉ CONSISTE EL CROMATÓGRAFO?

Un cromatógrafo de gases consiste en varios módulos básicos ensamblados para :1. Proporcionar un gasto o flujo constante del gas transportador (fase móvil).2. Permitir la introducción de vapores de la muestra en la corriente de gas que

fluye.3. Contener la longitud apropiada de fase estacionaria.4. Mantener la columna a la temperatura apropiada (o la secuencia del programa de

temperatura).5. Detectar los componentes de la muestra conforme eluyen de la columna.6. Proveer una señal legible proporcional en magnitud a la cantidad de cada

componente.

PARTES DEL CROMATÓGRAFO:

- Suministro de gas portador.- Regulador de presión. - Manómetro.- Fluxómetro.- Inyección de muestras.- Cámara termostatizada.- Detector.- Sistema electrónico.- Registrador.

ESQUEMA DEL CROMATÓGRAFO:

COLUMNAS PARA CROMATOGRAFÍA DE GASES:

Hay dos tipos de columnas básicas en uso general:

1. Las empacadas o de relleno.2. Las tubulares abiertas o capilares.

♦Columnas empacadas:

Las columnas empacadas se construyen con tubo de acero inoxidable, níquel o vidrio. Los diámetros interiores van de 1.6 a 9.5 mm. Con frecuencia la longitud es de 3 m. Estas columnas se empacan con un soporte inerte usualmente una tierra diatomácea con diámetros de poros internos que van de los 2 µm en el material derivado del ladrillo refractario, hasta los 9 µm en los materiales derivados de los ayudafiltros. El diámetro interno de la columna debe ser al menos ocho veces más el diámetro de las partículas del soporte. Por ejemplo, para columnas de 2 mm de calibre el mejor tamaño de partícula es de malla 100/120 (149-125 µm).

El soporte sólido no debe intervenir en la separación. Cuando se van analizar compuestos polares el soporte debe desactivarse, particularmente cuando la carga de líquido es baja y la fase es no polar. Las impurezas minerales superficiales, que pueden servir como sitios de absorción, pueden removerse con lavado ácido. Si el soporte no se desactiva de ninguna forma, se le llama lavado no ácido. El lavado de grado ácido funciona muy bien para el análisis de muestras relativamente no polares.

Para algunas aplicaciones en particular, pueden necesitarse materiales de empaque especiales. Para el análisis muy rápido y a temperaturas a muy por debajo de los puntos de

ebullición de los componentes de la muestra, se utilizan esferas de vidrio con carga muy baja. Cuando se utilizan muestras corrosivas se utilizan soportes de teflón tamizados. En la cromatografía gas-sólido el material de empaque es un adsorbente, como el gel de sílice, un soporte con fase enlazada o una malla molecular.

♦Columnas capilares:

Estas tienen un diámetro interno de 1mm o menor. Normalmente se construyen con sílice fundida ( un vidrio de muy alta pureza). La gran resistencia a la tensión del tubo de sílice permite la construcción de columnas de pared delgada flexibles. Para proteger la pared delgada de raspaduras, se aplica recubrimiento protector de poliimida sobre la pared exterior.

Hay dos tipos principales de columnas capilares:

1. Columnas empacadas con partículas sólidas ocupando el total del diámetro de la columna (microempacadas).2. Columnas tubulares abiertas con una trayectoria para el flujo abierta y sin restricción por en medio de la columna. Estas últimas se dividen en columnas tubulares abiertas con pared impregnada, columnas tubulares abiertas con soporte impregnado y columnas tubulares abiertas con capa porosa.

La superficie interior de la columna tubular abierta con pared impregnada de grande calibre, se encuentra recubierta con la fase líquida estacionaria. Era difícil obtener un recubrimiento uniforme de la superficie hasta que se presentaron las columnas con fases enlazadas (polímeros). El polímero moja bien la superficie de sílice fundida, lo que da como resultado en una película muy uniforme que recubre las paredes de la columna.

Las columnas se pueden lavar con disolventes puros para quitar contaminantes, compuestos no volátiles y productos de pirólisis.

La mayor ventaja de los capilares de calibre grande es el aumento de la rapidez de análisis. Utilizando los gastos o flujos en las columnas empacadas, las columnas de calibre grande producen separaciones con la misma eficacia de las columnas empacadas pero con un tiempo total de corrida unas tres veces menor. Hay seis buenas razones para cambiar las columnas empacadas por la de calibre grande: Menores tiempos de retención, inatacabilidad, duración prolongada, menor sangrado, mayor eficiencia y mejor reproducibilidad.

Los capilares de calibre grande se encuentran disponibles en longitudes de 10 a 30 m. Sin embargo, las columnas de 10 m aproximan muy de cerca la capacidad y separación de la columna empacada analítica estándar de 20 m × 2 mm d.i (diám. int.) con una carga de 3%- 5%.

Hornos (o estufas)

Las columnas cromatográficas se enrollan y sujetan en una canasta que se monta en el interior de un horno. El horno de columna debe poder ser calentado y enfriado rápidamente. Esto necesita un sistema de flujo de aire adecuado. Generalmente, el chorro de aire pasa por las resistencias de calentamiento, después por medio de deflectores que conforman la pared

del interior del horno, pasan por la columna y de vuelta al ventilador para recalentarse y recircular. Los hornos normalmente se construyen de acero inoxidable delgado.

Las temperaturas iniciales subambientales son útiles cuando se trabaja con columnas capilares.

Comparación de los cromatogramas obtenidos con una columna de calibre amplio y una columna empacada:

FASES LÍQUIDAS Y SELECCIÓN DE COLUMNAS:

La función de la fase líquida estacionaria es la de separar los componentes de la muestra en picos discretos. Adicionalmente , la fase líquida debe tener una estabilidad química y térmica razonable. Para que funcione la fase estacionaria debe permanecer en su condición de líquido y de ahí el límite inferior de temperatura. Por lo general, las operaciones se realizan 10-150 C abajo del límite superior de temperatura. La cantidad de sangrado de la columna ( vaporización de la fase estacionaria líquida) debe ser mínima para prolongar su vida, para impedir posibles fallas del detector y mantener la estabilidad de la línea base en el cromatograma. El enlazamiento del líquido de partición estacionario a la superficie interior de la columna capilar o al empaque de la columna ancla permanentemente la fase estacionaria a la superficie. Esto proporciona una fase líquida con una presión de vapor inapreciable.

Índices de retención:

La conveniencia de una fase estacionaria para una separación específica depende de la selectividad de la fase. Esta es una medida del grado en el que los compuestos polares se retardan en forma relativa a su elución en una fase no polar. Un método sistemático para expresar los datos de retención utiliza los índices de retención de Kovats (RI). Estos índices señalan donde aparecerán los compuestos en un cromatograma respecto a alcanos de cadena recta que se inyectan con la muestra.

Clasificación de fases estacionarias:

Las fases estacionarias se clasifican por su habilidad para retardar grupos funcionales específicos puesto que al cromatografista le interesa la selectividad de la columna para la diversidad de grupos funcionales. Las fases estacionarias se pueden clasificar con el método desarrollado por Rohrschneider y ampliado por McReynold. Involucra la medición de los IR de compuestos “índice” seleccionados, en una columna empacada con una fase estacionaria en particular. Estos valores de IR se comparan con los obtenidos para los mismos compuestos índice con una columna de escualano. La diferencia determina el grado en el que cada compuesto índice es retardado por la fase estacionaria. Es una medida de la interacción soluto-solvente.

La mayoría de las separaciones se pueden hacer en forma eficiente en alguna de las, quizá seis, clases distintas de fases estacionarias. Si los componentes de la muestra tienen puntos de ebullición significativamente diferentes, se utiliza una fase estacionaria no polar. Cuando algunos componentes tienen puntos de ebullición muy semejantes, debe seleccionarse una fase estacionaria que interaccione fuertemente con uno (o varios) de los componentes.

Otra regla que se sigue en la selección de fases líquidas es la de “lo semejante disuelve lo semejante”. Para la separación de alcoholes se utiliza un poliglicol como fase líquida, para la separación de hidrocarburos se utiliza un hidrocarburo como fase líquida , etcétera. Las polaridades del soluto y la fase estacionaria deben ser de alguna manera parecidas. Para compuestos con nitrógeno y halógenos pueden necesitarse fases especiales.

Después que se ha hecho una selección razonable de la fase líquida, la diferencia entre obtener un buen cromatograma y un mal cromatograma se convierte en un asunto sencillo, el ajustar los parámetros primarios de operación que el cromatografista puede controlar . Estos son el tipo y la longitud de la columna, el tipo de detector, tipo de gas transportador, velocidad del flujo, temperatura y tamaño de la muestra.

DETECTORES PARA CROMATOGRAFÍA DE GASES:

Un detector, localizado en la salida de la columna de separación, reacciona ante la presencia de los componentes individuales conforme abandonan la columna. El volumen del detector debe ser pequeño para prevenir el remezclado de los componentes separados en la columna. La salida eléctrica analógica del detector se amplifica y después se envía directamente a un registrador de tira continua, o se convierte en una señal digital y se envía a un sistema de microcomputadora. Tal sistema puede procesar los datos, almacenarlos y presentar el cromatograma con los resultados en una pantalla de video o en un registro impreso. Estos sistemas proporcionan un registro continuo de la masa del soluto eluido o de los perfiles de concentración de las bandas eluidas.

Tipos de detectores:

♦Detector de conductividad térmica:

Este detector utiliza un filamento caliente colocado en el flujo de gas emergente. Dentro de una cavidad en el bloque metálico se extiende un filamento, enrollado estrechamente. El filamento se calienta hasta una temperatura constante, con una fuente regulada de corriente directa. La pérdida de calor del filamento hacia el bloque metálico es constante cuando a través del detector solamente fluye gas portador.

Las conductividades térmicas del hidrógeno y del helio son unas seis veces mayores que las de la mayoría de los compuestos orgánicos. La presencia de cantidades pequeñas de materiales orgánicos produce una disminución relativamente grande en la conductividad térmica del eluyente de la columna. El filamento retiene más calor, su temperatura aumenta y su resistencia eléctrica sube.

El detector estándar consiste en cuatro filamentos idénticos montados en un bloque de latón. Los filamentos conforman los brazos de un puente de Wheatstone. En los análisis el eluyente de la columna pasa por un par de filamentos y el segundo par se coloca en la corriente de gas antes del puerto de inyección de la muestra. Se registra cualquier desequilibrio o desbalance entre los pares de filamentos. De esta forma la conductividad térmica del gas portador se cancela y los efectos por las variaciones de flujo y presión se minimizan. Se establece una lectura de línea base inicial pasando sólo gas portador por ambos pares de filamentos y ajustando la posición de la fuente de alimentación.

Detector de conductividad térmica montado en un pozo de calor:

♦Detector de ionización de llama:

Este detector añade hidrógeno al eluyente de la columna. Subsecuentemente, la mezcla pasa a través del conducto de un mechero, donde se mezcla con aire externo y luego arde o se quema. En otro arreglo dos placas paralelas se montan arriba del extremo o punta de la llama. Entre los electrones se aplica una tensión eléctrica de unos 400 V , lo que reduce la resistencia entre los electrodos y produce una corriente (~10-12 A). Tal corriente proviene de los iones y electrones libres generados en la llama de hidrógeno puro-aire. Cuando entra en la llama material ionizable del eluyente de la columna, se quema y la corriente aumenta notablemente. La corriente fluye a través de un resistor externo, se produce una caída de tensión ( o voltaje), se amplifica y finalmente se envía a un dispositivo de salida, un registrador o una microcomputadora.

El detector de ionización de llama, con doble modo de operación, puede dar una lectura continua directa de la concentración total de vapores orgánicos para fines de reconocimiento o inspección, o para realizar un análisis cualitativo y cuantitativo. Una porción de la muestra de aire es conducida a través de un filtro integral de carbón para proporcional al detector una fuente de aire puro. Un paquete isotérmico ofrece control de temperatura de la columna de separación; el paquete incluye una mezcla sobreenfriada que, cuando es rociada , proporciona una temperatura constante durante el proceso de solidificación.

Corte de un detector de ionización de llama:

♦Detector de emisión termoiónica:

Utiliza un plasma de hidrógeno pobre en combustible, una llama de baja temperatura que suprime la respuesta normal de ionización en la llama con compuestos que no contienen nitrógeno o fósforo. Una bola o esfera de silicato de rubidio no volátil se centra a 1.25 cm sobre la punta de llama. En todos los demás aspectos el arreglo físico se asemeja al detector de ionización de llama. La esfera se calienta eléctricamente y puede ajustarse entre 600 y 800 o C. Esta opción permite el ajuste de la temperatura de la esfera en forma independiente de la llama como fuente de energía térmica.

Con un gasto o flujo de hidrógeno muy pequeño, el detector responde a compuestos de nitrógeno o fósforo. Aumentar el tamaño del plasma y cambiar la polaridad entre la punta del plasma y el electrodo colector provoca que el detector de emisión termoiónica responda solamente a compuestos de fósforo.

Detector de emisión termoiónica:

♦Detector de captura de electrones:

En este detector (ECD) el eluyente de la columna pasa entre dos electrodos. Uno de los electrodos tiene en su superficie un radioisótopo que emite electrones de alta energía conforme decae. Estos electrones bombardean el gas portador (nitrógeno), lo que da como resultado la formación de un plasma de iones positivos, radicales y electrones térmicos por medio de una serie de colisiones elásticas e inelásticas. Al aplicar una diferencia de potencial a la celda de captura de electrones se logra la recolección de electrones térmicos que conforman la corriente permanente, o señal de la línea base, mientras pasa solo gas portador. Los compuestos que absorben electrones en la corriente del gas portador reaccionan con los electrones térmicos para producir iones negativos de mayor masa. La velocidad de recombinación entre iones negativos y positivos es muchas veces más rápida que entre los electrones térmicos y los iones positivos. La disminución en la corriente del detector, debida la remoción de los electrones térmicos por la recombinación en presencia de compuestos captadores de electrones, constituye la base cuantitativa de la operación del detector.

Con nitrógeno como gas portador se logra la recolección eficiente de electrones con una celda de configuración cilíndrica coaxial desplazada. Un volumen de 0.2 mL se forma entre dos cilindros poco espaciados en el que el flujo de gas transportador es opuesto al flujo de electrones.

Para impedir la formación de potenciales de contacto y efectos espaciales de carga, el voltaje de DCE se aplica como una secuencia de pulsos estrechos con duración y amplitud suficiente para colectar los muy móviles electrones, pero no los más pesados y lentos iones negativos.

Durante el intervalo entre los pulsos aumenta la concentración de electrones dentro de la celda.

Detector de captura de electrones: